超临界CO2管道减压过程中的热力学特性

基于工业规模CO₂管道（长258 m,内径233 mm）实验装置开展了3组不同泄放口径的超临界CO₂的泄放实验,测量了CO₂减压过程中管内介质压力变化以及介质与管壁的温度分布,分析了减压过程中CO₂相态、密度变化及管壁内外传热过程。研究表明,超临界CO₂泄放导致管内介质压力、温度及管壁温度均下降,最终趋于稳定,介质由超临界相变为气液两相最终变为气相。初始阶段的温降幅度最大,对流换热强度最大。距离泄放端越远,管内顶部和底部介质的温降幅度越大,对流换热强度越小,在泄漏口附近的对流换热最为剧烈。随着泄放口径的变大,泄放时间和管道内介质与管道的换热时间都变小,且沿着管道方向的管道内流体和管壁的温度梯度变大,对流换热强度也变大。     

超临界CO2管道泄漏特性研究进展

超临界CO₂输运管道泄漏可能造成断裂扩展、人员伤害和输运介质损失等重大事故,因此对泄漏过程中热力学参数变化规律的深入研究具有重要意义。目前对超临界CO₂管道泄漏特性研究不够,有必要进行详细的文献综述分析。介绍了CO₂管道泄漏特性研究背景及意义,综述了国内外CO₂管道泄漏过程中减压过程、近场射流膨胀及远场扩散规律实验、理论分析和数值模拟方面的研究现状,分析了目前超临界CO₂管道泄漏特性的研究不足,并对将来的研究方向进行了展望。     

多孔介质内超临界CO2流体及泡沫驱油特性的比较实验研究

CO₂混相驱替可以提高原油采收率,因此近年来得到研究者们的广泛关注。使用高温高压驱替设备,利用超临界CO₂流体、超临界CO₂泡沫及N₂泡沫作为驱替介质,对油水饱和孔隙介质中的油相驱替特性开展了比较实验研究。通过对驱替过程沿程压力及对驱替增采油量的测量,对不同驱替手段在孔隙介质内的油相增采特性进行深入研究和探讨。研究发现在温度为50℃、压力为13 MPa时,超临界CO₂流体对多孔介质内的油相驱替效果有显著提升,当压力进一步升高到23 MPa时,油相增采效果不明显。说明在本实验条件下超临界CO₂流体与油相在50℃、13 MPa时可达到混相驱替状态;而采用超临界CO₂泡沫及N₂泡沫注入工艺未能进一步提高出油量。沿程压差测量结果则显示,与N₂泡沫相比,超临界CO₂泡沫在多孔介质试样内的驱替压差较小,起泡性能较差。实验结果对于筛选及评价超临界CO₂驱油工艺具有一定的指导意义。     

工业规模CO2管道泄放过程中的压力响应及相态变化

基于CO₂相态分别进行了气相、气液两相和超临界状态的3组工业规模CO₂管道(长256 m,内径233 mm)泄放实验,分析了CO₂管道泄放过程中的压力响应和相态转变过程。研究表明:在管道内,气相CO₂泄放开始时压力发生突降,而后压降停滞或减慢;管内相态主要为气态,但管道末端温度大幅下降使该处形成气液均相CO₂。泄放口位于气液界面之上的气液两相CO₂泄放中,减压波多次反射并导致多次压力突降和反弹;管内相态由气液分层向气液均相转变,管道顶部和底部气液均相CO₂先后向气相CO₂转变。超临界CO₂泄放中的压力突降和反弹发生在临界区域附近,且压力穿过临界压力时,压变速率会停滞或减慢;管内相态经历了超临界、气液均相和气相泄放3个过程。     

超临界二氧化碳管道腐蚀特性研究

超临界CO₂在输送过程中会腐蚀管道内壁，研究其腐蚀特性可指导管道完整性管理。针对X70钢材管道，建立了超临界CO₂管道腐蚀模型，分析了不同工况下超临界CO₂对管道的腐蚀行为。结果表明，超临界态CO₂对X70钢的腐蚀程度高于气态CO₂。随着温度的升高，腐蚀速率先快速升高，达到80℃后腐蚀速率反而下降，建议输送温度低于40℃。随着流速的升高，腐蚀速率升高缓慢，达到2.5m·s^-1后腐蚀速率快速升高，达到4m·s^-1后腐蚀速率升高再次变缓，建议输送速度低于2.5m·s^-1。     

液化条件对多孔介质中CO2水合物生成过程的影响

为了研究液化条件对多孔介质中CO₂水合物生成过程的影响机制及其规律,在初始压力为3.9、4.2、4.5、4.8和5.1 MPa,温度为273.5、274.5和275.5 K条件下研究粒径为700μm的石英砂介质中CO₂水合物的生成过程。结果表明：在相同条件下,随着初始压力的增加,多孔介质中CO₂水合物的生成速率逐渐增大;当压力低于液化压力时,随着初始压力的增加,CO₂水合物的生成速率逐渐增大,且温度越高,水合物生成速率增加的趋势越明显;当CO₂气体压力达到液化压力时,随着初始压力的不断升高,CO₂水合物的生成速率明显增大;多孔介质中CO₂水合物的最大生成速率达到了9.297×10^-3 mol·s^-1。研究结果进一步表明：液化可有效强化多孔介质中CO₂水合物的生成过程,提高CO₂水合物的生成速率。     

传热模型对近临界工况CO2干气密封温压分布和稳态性能影响

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO₂近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO₂干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO₂和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明：以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO₂干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。     

CO2管道输送技术研究

在油田三次开采和碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展的背景下，将CO₂注入地层可以有效提高原油采收率，同时减少碳排放，缓解温室效应。CO₂输送是CCUS工程建设的重要环节之一，其中管道输送以输送量大、距离远、经济性好等优点一直备受关注。根据纯CO₂相态图，阐明了不同相态下CO₂温度压力范围，对4种相态下管道输送工艺流程进行分析，得出对于短距离CO₂管道，选择气相和液相输送较为合理；对于长距离CO₂管道，选择密相和超临界相输送较为合理。从管道输送工艺和经济性评价2个方面，探讨了国内外CO₂管道输送技术研究进展，并结合国内外已建CO₂管道案例，对国内CO₂管道输送技术研究提出建议。     

热解气氛对稻秆半焦组成及气化活性的影响

通过热解装置和热重仪分别研究了不同气氛（N₂、H₂和CO₂）对稻秆热解产物及半焦气化活性的影响。三种气氛中热解半焦产率为CO₂>N₂>H₂,焦油和气体产率为CO₂22;半焦中氧元素含量大小为CO₂>N₂>H₂,说明氢气中热解稻杆的脱氧效果最好;半焦中有机质相对百分含量随热解温度的升高而减小,并且CO₂>N₂>H₂,挥发分占总有机质的百分含量变化趋势与半焦中相反;K和Na析出率为CO₂22;半焦比表面积、孔容和孔径大小顺序为CO₂22;三种...     

惰性气体对粉尘爆炸泄放特性影响的实验研究

爆炸泄放和爆炸抑制是工业上降低粉尘爆炸危害性的两个重要手段,同时实现粉尘爆炸抑制和泄放共同作用的效果值得关注。基于标准20 L球形粉尘爆炸装置侧向开泄放口,实验研究不同泄放口径和静态动作压力时CO₂/N₂对石松子粉泄放过程压力的影响,采用热重分析法分析了石松子粉尘分别在CO₂、N₂氛围的热重变化。结果表明,在20 mm泄放口径时,随着CO₂/N₂浓度的增加,泄放压力的降低幅值逐渐增大,且CO₂对粉尘爆炸泄放最大超压的减小效果要优于N₂。泄放压力值随着CO₂浓度的增加基本呈线性降低,当体系中的CO₂和N₂浓度增加到10%时对体系泄放压力值的降低效果开始趋于一致。对于40 mm泄放口径,添加相同浓度的CO₂体系泄放压力值要略低于N₂,降低幅值为6%~8%。对于60 mm泄放口径,CO₂/N₂两者抑制效果差别不大,且在添加浓度不超过8%时对体系泄放压力值的降低幅值影响较小。通过TGA曲线可以发现,在N₂气氛和CO₂气氛的热流条件中,石松子粉的热解过程在370℃左右开始出现明显的差异,CO₂气氛中石松子粉的热解速率要快于其在N₂气氛中的,因此在这个过程中CO₂的存在一定程度上会促进石松子粉的热解,随着热解温度进一步提升,CO₂对石松子粉热解的抑制效果开始逐渐体现。     

Research progress on leakage characteristics of supercritical CO2 pipeline

Leakage of supercritical CO₂ long-distance pipelines may cause significant accidents such as pipeline fracture propagation, human injury and medium loss. Therefore, it is of great significance to further study the variation of thermodynamic parameters in the process of pipeline leakage. At present, there is insufficient research on the leakage characteristics of supercritical CO₂ pipelines, and it is necessary to conduct a detailed literature review and analysis. This paper introduces the research background and significance of CO₂ pipeline leakage characteristics. The experimental, theoretical analysis and numerical simulation of the decompression process, near-field jet expansion and far-field diffusion of CO₂ pipeline at home and abroad are reviewed in detail. Finally, this paper summarizes the current research deficiencies of supercritical CO₂ pipeline leakage characteristics, and prospects the future research direction.     

工业规模CO2管道大孔泄漏过程中的射流膨胀及扩散规律

通过气相和超临界状态的两组工业规模CO₂管道（长258 m、内径233 mm、泄放孔径100 mm）泄放实验，分析了近场动压、可见云以及扩散区域温度和浓度变化。研究表明：在大口径气相和超临界CO₂泄放中，泄漏口处会形成高度欠膨胀射流，在射流结构中会生成大量干冰颗粒；后者形成的欠膨胀射流结构范围较大，但马赫盘的位置都在0.4 m内。可见云在快速膨胀后，在一定时间内维持在亚稳定状态，随后缓慢衰减。可见云携带干冰颗粒和水雾快速扩散，干冰颗粒在降至地面前已全部升华，未形成干冰床。气相与超临界泄放中的扩散区域温度在迅速下降后缓慢上升，且超临界泄放中温降更大；CO₂浓度均升高后缓慢下降，预测二者5%浓度在泄漏方向上的危险距离至少为30和50 m。     

超临界CO2压裂液增黏剂的长管实验评价及增黏机制探讨

针对超临界CO₂压裂中CO₂黏度低、携砂困难等问题,开展6种超临界CO₂压裂液增黏剂的性能研究。分析增黏剂聚乙酸乙烯酯、聚苯乙烯、氟化丙烯酸酯、聚甲基倍半硅氧烷、聚甲基倍半硅氧烷-乙酸乙烯酯以及氟化丙烯酸酯-苯乙烯的分子结构,测试其增黏效果及热稳定性,评价温度、压力、增黏剂注入量对超临界CO₂压裂液黏度的影响,测试不同管径中压裂液的阻力系数,并探讨超临界CO₂增黏的机制。实验结果表明,在温度为50℃、压力为12MPa、注入增黏剂质量分数为3%时,氟化丙烯酸酯-苯乙烯对超临界CO₂的增黏效果最好,增黏倍数为316.7倍,黏度值为15.202mPa·s;改善增黏剂在CO₂中的溶解性可以有效提高超临界CO₂压裂液的黏度;具备两亲特性、具有无定形、无规则结构特征以及分子上既存在路易斯酸又有路易斯碱的共聚物能有效提高其在CO₂中的溶解性,并形成大分子相互缠绕的空间网络结构,达到增黏的效果。该研究对超临界CO₂增黏剂的研制以及超临界CO₂压裂施工具有重要的现实意义。     

二次生长法制备ZIF-8膜及其对CO2/N2的分离性能

采用二次生长法在α-Al₂O₃载体上制备超薄型ZIF-8膜,研究了多种轻分子气体以及混合气体CO₂/N₂的渗透分离性能。通过SEM和XRD表征了ZIF-8晶种层的晶种涂布状态,以及ZIF-8晶体膜的生长覆盖度和晶膜厚度。研究结果表明：采用低浓度的晶种悬浮液通过浸润式连续多次涂布法,有利于获得晶种层厚度均匀且覆盖度高的超薄均匀ZIF-8晶种层,经过二次生长后所得ZIF-8膜的覆盖度高、厚度均匀且较薄,仅约为8.8 μm;在所测试范围内的CO₂/N₂混合气体中,此ZIF-8膜对CO₂具有优先选择透过性,其对CO₂/N₂的渗透分离因子随温度的升高而降低,随渗透压力的增加而增加,在298 K、406 kPa和CO₂组分含量为50%时,该分离因子能达到6,显著超过Knudsen扩散的分离系数。